DE102020005507A1 - Method for testing an automated driving function - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrfunktion, insbesondere einer Notbremsfunktion, eines Fahrzeugs.Erfindungsgemäß wird eine Konfidenz für existierende Feldtests und ein Vertrauensmaß für die zu testenden Fahrfunktion über einen gesamten Wirkbereich eines Operational Design Domains bestimmt, wobei- Messdaten aus länderspezifischen Feldversuchen aufgezeichnet und zentral in einer Datenbank gespeichert werden,- anschließend ein Wissen aus dieser Datenbank mittels einer ereignisgesteuerten Zeitreihenanalyse mit einer Clusterbildung extrahiert wird, wobei extrahierte Cluster und ihr Parameterraum eine Eintrittswahrscheinlichkeit jedes logischen Szenarios und eine Wahrscheinlichkeitsverteilung zugehöriger Parameter definieren,- eine Sensitivitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse einen Versagensbereich im Parameterraum identifiziert, um eine Versagenswahrscheinlichkeit für jedes logische Szenario mit Hilfe von Stichprobenverfahren vorherzusagen, wobei Verkehrshotspotkatagorien von falsch-positiven und falsch-negativen Ereignissen aus verschiedenen Informationsquellen in clusteranalytisch charakterisierten Fahrsituationen mithilfe einer Datenbank für zu testenden Szenarien transformiert werden.The invention relates to a method for testing an automated driving function, in particular an emergency braking function, of a vehicle. According to the invention, a confidence level for existing field tests and a confidence level for the driving function to be tested is determined over an entire effective range of an operational design domain, with measurement data from country-specific field tests being recorded and are stored centrally in a database, - then knowledge is extracted from this database by means of an event-driven time series analysis with a cluster formation, the extracted clusters and their parameter space defining a probability of occurrence of each logical scenario and a probability distribution of the associated parameters, - a sensitivity and reliability analysis Failure region identified in parameter space to predict a probability of failure for each logical scenario using sampling, with Verkeh rshotspotkatagorien of false-positive and false-negative events from various information sources can be transformed into driving situations characterized by cluster analysis with the help of a database for scenarios to be tested.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrfunktion.The invention relates to a method for testing an automated driving function.
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrfunktion anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for testing an automated driving function which is improved over the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrfunktion mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a method for testing an automated driving function having the features of
In einem Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrfunktion, insbesondere einer Notbremsfunktion, wird erfindungsgemäß eine Konfidenz für existierende Feldtests und ein Vertrauensmaß für die zu testenden Fahrfunktion über den gesamten Wirkbereich des sogenannten Operational Design Domains bestimmt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein Rechenmodul, das eingerichtet ist, um eine Zuverlässigkeit für die automatisierte Fahrfunktion, insbesondere die eines automatischen Notbremssystems, zu bestimmen. Hierzu werden Messdaten aus länderspezifischen Feldversuchen aufgezeichnet und zentral in einer Datenbank gespeichert. Anschließend wird das Wissen aus dieser Datenbank mittels einer ereignisgesteuerten Zeitreihenanalyse mit einer Clusterbildung extrahiert. Die extrahierten Cluster und ihr Parameterraum definieren die Eintrittswahrscheinlichkeit jedes logischen Szenarios und die Wahrscheinlichkeitsverteilung der zugehörigen Parameter. Dann identifiziert eine Sensitivitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse den Versagensbereich im Parameterraum, um die Versagenswahrscheinlichkeit für jedes logische Szenario mit Hilfe von Stichprobenverfahren vorherzusagen. Dabei werden Verkehrshotspotkatagorien von falsch-positiven (Sensor erkennt Objekt, welches in der Realität nicht existiert) und falsch-negativen Ereignissen (Sensor erkennt ein in der Realität existierendes Objekt nicht) aus den verschiedenen Informationsquellen in den clusteranalytisch charakterisierten Fahrsituationen mithilfe einer Datenbank für zu testenden Szenarien transformiert.In a method for testing an automated driving function, in particular an emergency braking function, a confidence level for existing field tests and a confidence level for the driving function to be tested are determined over the entire effective range of the so-called operational design domain. A device for performing the method comprises a computing module which is set up to determine a reliability for the automated driving function, in particular that of an automatic emergency braking system. For this purpose, measurement data from country-specific field tests are recorded and stored centrally in a database. Then the knowledge is extracted from this database by means of an event-driven time series analysis with a cluster formation. The extracted clusters and their parameter space define the probability of occurrence of each logical scenario and the probability distribution of the associated parameters. Then a sensitivity and reliability analysis identifies the failure area in the parameter space in order to predict the failure probability for each logical scenario with the help of sampling methods. Traffic hotspot categories of false-positive (sensor detects an object that does not exist in reality) and false-negative events (sensor does not recognize an object that exists in reality) from the various information sources in the driving situations characterized by cluster analysis using a database for the driving situations to be tested Transformed scenarios.
Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren eine gesamtheitliche Testentscheidungsgrundlage für das Testen einer zu testenden automatisierten Fahrfunktion.In addition, the method enables a holistic test decision basis for testing an automated driving function to be tested.
Somit wird ein aussagekräftiges Abbruchkriterium für das Testen geliefert, welches anhand der Qualitätsbewertung der Optimierung des Algorithmus in den einzelnen Komponenten sowie im Gesamtsystem definiert wird.This provides a meaningful termination criterion for the testing, which is defined on the basis of the quality assessment of the optimization of the algorithm in the individual components and in the overall system.
Ausgehend von der prospektiven Risikobeurteilung beruht das Abbruchkriterium auf verschiedenen Entscheidungen. Entweder die Funktion ist sicher genug und kundentauglich, die Funktion muss mit weiteren Fahr- und Simulationsläufen abgesichert werden, oder die Funktion ist nicht sicher genug, dann mit einer Empfehlung zur Weiterentwicklung der zu testenden automatisierten Funktion.Based on the prospective risk assessment, the termination criterion is based on various decisions. Either the function is safe enough and suitable for the customer, the function must be secured with further driving and simulation runs, or the function is not safe enough, then with a recommendation for further development of the automated function to be tested.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Integration zwischen digitalen und physikalischen Erprobungen zur kundenorientierten Absicherung von automatischen Fahrfunktionen, -
2 eine schematische Darstellung der Datenverarbeitungsstruktur des Datenerfassungssystems im Fahrzeug mit seinen Hauptelementen, -
3 eine schematische Darstellung einer Korrelationsanalyse zwischen digitalen und physikalischen Erprobungen, sowie die Bestimmung -
4 eine schematische Darstellung der Zeitreihen für die Erfassungsdaten aus dem Erfassungssystem für ein logisches Szenario mit einem sich vor dem Fahrzeug befindlichen, stationären Objekt in einer linken Kurveneingangssituation, auch als Verbundkurve nach links bezeichnet, -
5 eine schematische Darstellung eines logischen Szenarios in einer Ontologie mit einem sich vor dem Fahrzeug befindlichen, stationären Objekt in einer linken Kurveneingangssituation, auch als Verbundkurve nach links bezeichnet, -
6 eine schematische Darstellung der kumulativen VerteilungsfunktionCDF und WahrscheinlichkeitsdichtefunktionPDF für die Zufallsvariablea = -0.318, Parameterb = 1.90614 und Parameterc = 1.9614 als Ausgang für den Zufallgenerator der gemeinsamen Dichte der Zufallsvariablen der vom Ersatzmodell zu selektierenden Daten aus dem Cluster C1, -
7 eine schematische Darstellung der kumulativen VerteilungsfunktionCDF und WahrscheinlichkeitsdichtefunktionPDF für die Zufallsvariableυx [km/h] mit folgenden Paramatern (a = 7.94651, b = 59.5984, c = 83.3891), -
8 eine schematische Darstellung der kumulativen VerteilungsfunktionCDF und WahrscheinlichkeitsdichtefunktionPDF für die Zufallsvariable Kego[1/km] mit folgenden Parametern (µ = 0.268827, σ = 1.1418, a = -4.5, b = 3.88) als Eingang für den Zufallsgenerator der gemeinsamen Dichte der Zufallsvariablen der vom Ersatzmodell zu selektierenden Daten aus dem Cluster C1 und die Zufallsvariable dy[m] mit folgenden Parametern (µ = -0.2987, σ = 0.564, a = - 2.6, b = 0.8), -
9 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.0094 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f = 0.1), -
10 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.0092 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f= 0.19), -
11 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignisse -
12 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.01 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f = 0.2), -
13 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.0088 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f = 0.1), -
14 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.0088 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f= 0.18), -
15 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.036 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f = 0.52), und -
16 eine schematische Darstellung der geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit der Schwere der Ereignissef = 0.084 und geschätzter Versagenswahrscheinlichkeit P̅f = 0.26).
-
1 a schematic representation of the integration between digital and physical tests for customer-oriented protection of automatic driving functions, -
2 a schematic representation of the data processing structure of the data acquisition system in the vehicle with its main elements, -
3 a schematic representation of a correlation analysis between digital and physical tests, as well as the determination -
4th a schematic representation of the time series for the acquisition data from the acquisition system for a logical scenario with a stationary object in front of the vehicle in a left curve entry situation, also referred to as a composite curve to the left, -
5 a schematic representation of a logical scenario in an ontology with a stationary object in front of the vehicle in a left corner entry situation, also referred to as a compound curve to the left, -
6th a schematic representation of the cumulative distribution functionCDF and probability density functionPDF for the random variablea = -0.318, parameterb = 1.90614 and parametersc = 1.9614 as output for the Random generator of the common density of the random variables of the data to be selected by the substitute model from cluster C 1 , -
7th a schematic representation of the cumulative distribution functionCDF and probability density functionPDF for the random variableυ x [km / h] with the following parameters (a = 7.94651, b = 59.5984, c = 83.3891), -
8th a schematic representation of the cumulative distribution functionCDF and probability density functionPDF for the random variable K ego [1 / km] with the following parameters (µ = 0.268827, σ = 1.1418, a = -4.5, b = 3.88) as input for the random generator of the common density of the random variables of the data to be selected by the substitute model from the cluster C 1 and the random variable d y [m] with the following parameters (µ = -0.2987, σ = 0.564, a = - 2.6, b = 0.8), -
9 a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.0094 and estimated failure probability P̅ f = 0.1), -
10 a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.0092 and estimated failure probability P̅ f = 0.19), -
11 a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the events -
12th a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.01 and estimated failure probability P̅ f = 0.2), -
13th a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.0088 and estimated failure probability P̅ f = 0.1), -
14th a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.0088 and estimated failure probability P̅ f = 0.18), -
15th a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.036 and estimated failure probability P̅ f = 0.52), and -
16 a schematic representation of the estimated probability of failure of the severity of the eventsf = 0.084 and estimated failure probability P̅ f = 0.26).
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Anhand der
Die Ausgangssituation für dieses Verfahren ist wie folgt:
- Alle automatisierten Fahrfunktionen müssen die ISO Norm 26262 zur funktionalen Sicherheit erfüllen und dürfen sich nicht gegeneinander negativ beeinflussen.
- All automated driving functions must meet ISO standard 26262 for functional safety and must not negatively influence one another.
Bei Einsatz automatisierter Fahrfunktionen spielen das Treffen sicherer Entscheidungen und die Planung kollisionsfreier Trajektorien eine entscheidende Rolle.When using automated driving functions, making safe decisions and planning collision-free trajectories play a decisive role.
Um die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 für eine automatische Fahrfunktion, insbesondere für eine Notbremsfunktion, sicherstellen zu können und insbesondere bei einem automatischen Notbremssystem einen ungewollten automatischen Bremseingriff sicher zu verhindern, müssen die Funktionen in ausreichender Weise durch Fahr- und Simulationsläufe abgesichert werden.In order to be able to ensure the requirements of functional safety according to ISO 26262 for an automatic driving function, in particular for an emergency braking function, and in particular to safely prevent an unwanted automatic braking intervention in an automatic emergency braking system, the functions must be adequately safeguarded by driving and simulation runs.
Die Gefährdungs- und Risikoanalyse der ISO Norm 26262 definiert das Risiko als Kombination der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Schadens und des Schweregrades dieses Schadens durch Herleitung aus der Norm ISO 14971 für die Anwendung des Risikomanagements auf Medizinprodukte.The hazard and risk analysis of the ISO standard 26262 defines the risk as a combination of the probability of the occurrence of damage and the severity of this damage, derived from the ISO 14971 standard for the application of risk management to medical devices.
In der
Ausgehend hiervon wird in dem hier beschriebenen Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrfunktion, insbesondere einer Notbremsfunktion, eine Konfidenz für existierende Feldtests und ein Vertrauensmaß für die zu testenden Fahrfunktion über den gesamten Wirkbereich des sogenannten Operational Design Domains bestimmt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein Rechenmodul, das eingerichtet ist, um eine Zuverlässigkeit für die automatisierte Fahrfunktion, insbesondere die eines automatischen Notbremssystem, zu bestimmen. Hierzu werden Messdaten aus länderspezifischen Feldversuchen aufgezeichnet und zentral in einer Datenbank gespeichert. Anschließend wird das Wissen aus dieser Datenbank mittels einer ereignisgesteuerten Zeitreihenanalyse mit einer Clusterbildung extrahiert. Die extrahierten Cluster und ihr Parameterraum definieren die Eintrittswahrscheinlichkeit jedes logischen Szenarios und die Wahrscheinlichkeitsverteilung der zugehörigen Parameter. Dann identifiziert eine Sensitivitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse den Versagensbereich im Parameterraum, um die Versagenswahrscheinlichkeit für jedes logische Szenario mit Hilfe von Stichprobenverfahren vorherzusagen. Dabei werden Verkehrshotspotkatagorien von falsch-positiven (Sensor erkennt Objekt, welches in der Realität nicht existiert) und falsch-negativen Ereignissen (Sensor erkennt ein in der Realität existierendes Objekt nicht) aus den verschiedenen Informationsquellen in den clusteranalytisch charakterisierten Fahrsituationen mithilfe einer Datenbank für zu testenden Szenarien transformiert.Based on this, in the method described here for testing an automated driving function, in particular an emergency braking function, a confidence level for existing field tests and a confidence level for the driving function to be tested is determined over the entire effective range of the so-called operational design domain. A device for performing the method comprises a computing module that is set up to determine a reliability for the automated driving function, in particular that of an automatic emergency braking system. For this purpose, measurement data from country-specific field tests are recorded and stored centrally in a database. Then the knowledge is extracted from this database by means of an event-driven time series analysis with a cluster formation. The extracted clusters and their parameter space define the probability of occurrence of each logical scenario and the probability distribution of the associated parameters. Then a sensitivity and reliability analysis identifies the failure area in the parameter space in order to predict the failure probability for each logical scenario with the help of sampling methods. Traffic hotspot categories of false-positive (sensor detects an object that does not exist in reality) and false-negative events (sensor does not recognize an object that exists in reality) from the various information sources in the driving situations characterized by cluster analysis using a database for the driving situations to be tested Transformed scenarios.
Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren eine gesamtheitliche Testentscheidungsgrundlage für das Testen einer zu testenden automatisierten Fahrfunktion.In addition, the method enables a holistic test decision basis for testing an automated driving function to be tested.
Somit wird ein aussagekräftiges Abbruchkriterium für das Testen geliefert, welches anhand der Qualitätsbewertung der Optimierung des Algorithmus in den einzelnen Komponenten sowie im Gesamtsystem definiert wird.This provides a meaningful termination criterion for the testing, which is defined on the basis of the quality assessment of the optimization of the algorithm in the individual components and in the overall system.
Ausgehend von der prospektiven Risikobeurteilung beruht das Abbruchkriterium auf verschiedenen Entscheidungen. Entweder die Funktion ist sicher genug und kundentauglich, die Funktion muss mit weiteren Fahr- und Simulationsläufen abgesichert werden, oder die Funktion ist nicht sicher genug, dann mit einer Empfehlung zur Weiterentwicklung der zu testenden automatisierten Funktion.Based on the prospective risk assessment, the termination criterion is based on various decisions. Either the function is safe enough and suitable for the customer, the function must be secured with further driving and simulation runs, or the function is not safe enough, then with a recommendation for further development of the automated function to be tested.
Hierzu werden eine wissensbasierte Testmethode
Im Verfahren werden obligatorisch beispielsweise die Verfahrensschritte I bis VIII durchgeführt, wobei deren Reihenfolge veränderbar ist.In the process, process steps I to VIII, for example, are carried out in a mandatory manner, the order of which can be changed.
Verfahrensschritt I: Ausschluss von logischen Fehlern durch eine Verifikation der automatischen Fahrfunktion mit Hilfe einer sogenannten Hardware-in-the-Loop Plattform entsprechend den wissensbasierten Anforderungen.Process step I: Exclusion of logical errors through verification of the automatic driving function with the help of a so-called hardware-in-the-loop platform in accordance with the knowledge-based requirements.
Der logische Fehler stellt einen Fehler im Algorithmus gemäß wissensbasiertem Entwurf dar.The logical error represents an error in the algorithm according to knowledge-based design.
Verfahrensschritt II: Identifizierung von statistischen Fehlern in einer automatisierten Fahrfunktion durch das szenariobasierte Testen, insbesondere für eine Notbremsfunktion, mit Hilfe einer sogenannten Clusteranalyse in einer Cloud-Datenbank.Method step II: Identification of statistical errors in an automated driving function through scenario-based testing, in particular for an emergency braking function, with the help of a so-called cluster analysis in a cloud database.
Der statistische Fehler stellt einen Fehler im Betrieb aus Umwelteinflüssen dar.The statistical error represents an error in operation due to environmental influences.
Die Warnereignisse eines existierenden Assistenzsystems, insbesondere eines Bremsassistenzsystems, werden als Disengagement-Ereignisse, d. h. Abschaltereignisse, für ein Abschaltkriterium im autonomen Modus einer zukünftigen automatisierten Fahrfunktion angenommen.The warning events of an existing assistance system, in particular a brake assistance system, are called disengagement events, i.e. H. Shutdown events assumed for a shutdown criterion in the autonomous mode of a future automated driving function.
Die Clusteranalyse ist ein Verfahren, mit dem Fälle (Fußgänger, Objekte) anhand von vorgegebenen Kriterien gruppiert werden können. Die so gefundenen Gruppen - auch Cluster genannt - enthalten dann jeweils Fälle, die sich ähnlich sind. Die Fälle in verschiedenen Clustern unterscheiden sich dagegen mehr.The cluster analysis is a procedure with which cases (pedestrians, objects) can be grouped on the basis of given criteria. The groups found in this way - also called clusters - then each contain cases that are similar. The cases in different clusters, however, differ more.
Verfahrensschritt III: Identifizierung von Kritikalitätsmetriken für die zu testende Fahrfunktion durch eine Korrelationsanalyse zwischen der Kritikalitätsschwelle aus synthetischen Fahrszenarien und Ereignissen aus den einzelnen gruppierten naturalistischen Fahrsituationen.Method step III: Identification of criticality metrics for the driving function to be tested through a correlation analysis between the criticality threshold from synthetic driving scenarios and events from the individually grouped naturalistic driving situations.
Durchführung von Simulationsrechnungen für definierte Testszenarien auf der Hardware-in-the-Loop Plattform, und Ableitung der Kritikalitätsschwelle aus den Simulationsergebnissen unter Verwendung einer geeigneten Regressionsfunktion. Eine Kritikalitätsmetrik ist beispielsweise der Zeitabstand zwischen vorausfahrendem und folgendem Fahrzeug, um die Kritikalität einer gegebenen Situation zu bewerten. Verfahrensschritt IV: Testausführung auf der Hardware-in-the-Loop Plattform für die einzelnen gruppierten logischen Szenarien mit einem sogenannten ontologiebasierten Szenariomanagement
Eine Ontologie ist ein Wissensmodell, das im Wissensmanagement im sogenannten Semantic Web für die Bereitstellung von Wissenstrukturen genutzt wird. Diese Informationen, ihre Eigenschaften und Beziehungen zueinander werden formal repräsentiert und sind von Maschinen und Menschen ablesbar.An ontology is a knowledge model that is used in knowledge management in the so-called Semantic Web to provide knowledge structures. This information, its properties and relationships to one another are formally represented and can be read by machines and humans.
Die Ontologie mithilfe der charakteristischen Signalverläufe aus den einzelnen gruppierten logischen Szenarien verwendet die Konvertierungsregeln zwischen Erfassungsdaten mit offenem Regelkreis und Steuerungsdaten mit geschlossenem Regelkreis, um die Testabdeckung über den gesamten Wirkbereich des sogenannten Operational Design Domains zu erweitern. Zu einer solchen Operational Design Domain Abdeckung
Verfahrensschritt V: Exploration des Parameterraums
Die Sensitivitätsanalyse befasst sich mit der Propagation von Unsicherheiten bei der Erzeugung des Approximationsmodells für die betrachteten Parameter.The sensitivity analysis deals with the propagation of uncertainties in the generation of the approximation model for the parameters under consideration.
Die Aufgabe besteht in der systematischen Quantifizierung der Einflüsse, die mit Unsicherheiten behaftete Modellparameter auf die Ausgaben eines Modells haben.The task consists in the systematic quantification of the influences that model parameters with uncertainties have on the outputs of a model.
Die Parametersensitivitäten erlauben unter anderem Rückschlüsse über die Robustheit der Modellprognosen gegenüber Störeinflüssen und liefern somit ein Vertrauensmaß für die gewonnenen Resultate.The parameter sensitivities allow, among other things, to draw conclusions about the robustness of the model prognoses with regard to disturbances and thus provide a measure of confidence for the results obtained.
Verfahrensschritt VI: Abschätzung der Versagenswahrscheinlichkeit für die einzelnen gruppierten logischen Szenarien. Ermittlung des Versagensbereichs im Parameterraum. Vorhersage der Sicherheitswahrscheinlichkeit durch prospektive Risikobewertung für eine messbare Sicherheit mit Hilfe einer sogenannten Zuverlässigkeitsanalyse.Process step VI: Estimation of the probability of failure for the individual grouped logical scenarios. Determination of the failure area in the parameter space. Prediction of the probability of security through prospective risk assessment for measurable security with the help of a so-called reliability analysis.
Definition der Kurve des tolerierbaren Risikos als Konfidenzniveau zur Abschätzung der Wahrscheinlichkeit der Überschreitung der Sicherheitsmarge unter Verwendung verschiedener Stichprobenverfahren.Definition of the curve of the tolerable risk as a confidence level for estimating the probability of exceeding the safety margin using different sampling methods.
Es erfolgt somit eine messbare Sicherheitsbewertung
Das in dieser messbaren Sicherheitsbewertung
Die Risikoakzeptanzschwelle
Im Falle eines Auftretens eines inakzeptablen Risikos, d. h. eines nicht vertretbaren Risikos
Verfahrensschritt VII: Definition und Anwendung der Testabbruchkriterien auf der Basis der generierten tolerierbaren Risikokurve als Referenzsicherheitsschwelle für eine Weiterentwicklung der zu testenden Fahrfunktion
Die Risikobewertungsmatrix wird durch Kombination der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Schadens und des Schweregrades
Extraktion der Entscheidungsgrundlage für risikominimierende Maßnahmen, ob mehr Testkilometer erforderlich sind, mehr Simulationen durchzuführen sind oder eine Weiterentwicklung der zu testenden automatisierten Funktion notwendig ist.Extraction of the decision-making basis for risk-minimizing measures, whether more test kilometers are required, more simulations are to be carried out or a further development of the automated function to be tested is necessary.
Eine weitere Vorgehensweise zur Berücksichtigung zusätzlicher Felddaten bei bereits ermittelten charakteristischen Verläufen der Systemeingangsgrößen sieht beispielsweise als optionale Verfahrensschritte vor:
- Verfahrensschritt VIII: Vergleich zusätzlicher Felddaten mit logischen Szenarien, Gegebenenfalls Erweiterung der Anzahl der Cluster für die Gruppierung, Wiederholdung und Anwendung der Verfahrensschritte II bis VII.
- Process step VIII: Comparison of additional field data with logical scenarios, if necessary, expansion of the number of clusters for grouping, repetition and application of process steps II to VII.
Im Folgenden wird das Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The method is explained below using an exemplary embodiment.
Das Bremsassistenzsystem zur Durchführung der automatisierten Fahrfunktion, insbesondere der Notbremsfunktion, umfasst eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Abstandes des Fahrzeugs zu einem vor dem Fahrzeug befindlichen Objekt.The braking assistance system for performing the automated driving function, in particular the emergency braking function, comprises a detection unit for detecting a distance between the vehicle and an object located in front of the vehicle.
Die Erfassungseinheit umfasst einen Radarsensor, mittels welchem eine redundante Messung des Abstandes anhand einer Radarsignal-Laufzeit und einer Differenzgeschwindigkeit bzw. Relativgeschwindigkeit zwischen dem vorausfahrenden oder stehenden Objekt und dem Fahrzeug anhand einer Frequenzverschiebung durchgeführt wird. Zusätzlich ist eine Bilderfassungseinheit, insbesondere eine Kamera, vorgesehen, mittels welcher die Umgebung des Fahrzeugs erfasst wird.The detection unit comprises a radar sensor, by means of which a redundant measurement of the distance is carried out based on a radar signal transit time and a differential speed or relative speed between the preceding or stationary object and the vehicle based on a frequency shift. In addition, an image acquisition unit, in particular a camera, is provided, by means of which the surroundings of the vehicle are recorded.
Aus den erfassten Bildern werden Objekte, Straßen, Randbebauung, Spurmarkierungslinien und Straßenbegrenzungen, wie zum Beispiel Leitpfosten und Leitplanken, sowie Verkehrsschilder ermittelt und entsprechende Umgebungsdaten und Umgebungsparameter generiert und an eine Steuereinheit weitergeleitet.Objects, roads, peripheral buildings, lane marking lines and road boundaries, such as delineator posts and guardrails, as well as traffic signs are determined from the captured images and corresponding environmental data and environmental parameters are generated and forwarded to a control unit.
Weiterhin wird die Notbremsfunktion in mehreren Eskalationsstufen E1 bis E3 ausgeführt. In dieser Fahrfunktion wird in einer ersten Eskalationsstufe E1 eine optische und/oder akustische Warnung als Warnhinweis ausgegeben, in einer zweiten Eskalationsstufe E2 wird eine automatische Teilbremsung als haptische Warnung ausgeführt, und in einer dritten Eskalationsstufe E3 wird eine Vollbremsung als Bremsvorgang ausgeführt. Ein selbsttätiger Notbremsvorgang zur Vermeidung eines Auffahrens des Fahrzeugs auf das sich vor dem Fahrzeug befindende Objekt ist auszulösen, wenn der Abstand, die Relativgeschwindigkeit, die Beschleunigung des Fahrzeugs und die Beschleunigung des vorausfahrenden Fahrzeugs in einem bestimmten Zusammenhang zueinander stehen.Furthermore, the emergency braking function is carried out in several escalation levels E1 to E3. In this driving function, an optical and / or acoustic warning is issued as a warning in a first escalation level E1, automatic partial braking is carried out as a haptic warning in a second escalation level E3, and full braking is carried out as a braking process in a third escalation level E3. An automatic emergency braking process to prevent the vehicle from colliding with the object in front of the vehicle must be triggered if the distance, the relative speed, the acceleration of the vehicle and the acceleration of the vehicle in front are related to one another in a certain way.
Fehlauslösungen der Notbremsfunktion werden durch die Erfassung von Randbebauungen oder Randobjekten der Straße, wie beispielsweise Leitpfosten, Leitplanken und Verkehrsschilder, vermieden oder zumindest signifikant verringert. Derartige Randbebauungen und Randobjekte sind üblicherweise vom Straßentyp abhängig und werden über die Anpassung der Auslösefreigabebedingung an die Klassifizierung der Straße bei Auslösung der Fahrfunktion mitberücksichtigt.Incorrect triggering of the emergency braking function is avoided or at least significantly reduced by detecting peripheral buildings or peripheral objects on the road, such as delineator posts, crash barriers and traffic signs. Such peripheral buildings and peripheral objects are usually dependent on the type of road and are also taken into account by adapting the trigger release condition to the classification of the road when the driving function is triggered.
Im Verfahrensschritt II werden die Messdaten aus länderspezifischen Feldversuchen, auch als Field Operational Tests (FOT) genannt, aufgezeichnet. Nach der zentralen Speicherung der Messdaten in einer Datenbank erfolgt ein Clustering, d. h. eine Gruppierung, von natürlichen Fahrszenarien basierend auf Bremswarnereignissen der Eskalationsstufe E1 einer Bremsassistenzfunktion. Die hierarchische Clusteranalyse einer ereignisbasierten Analyse erfolgt mit Signalclustern C1 mit der Verbundkurve nach links, C2 mit der Wendelinie nach rechts, C3 mit der Wendelinie nach links und C4 mit der Verbundkurve nach rechts, wie in
Die Datenverarbeitungsstruktur umfasst eine ereignisbasierte Datenerfassung
Die Messdaten aus länderspezifischen Feldversuchen werden beim szenariobasierten Testen aufgezeichnet und zentral in einer Cloud-Datenbank gespeichert.The measurement data from country-specific field tests are recorded during scenario-based testing and stored centrally in a cloud database.
Dies erfordert höhere Kapazitäten zur Datenerfassung und -speicherung, hat aber den Vorteil, dass eine vollständige Re-Simulation mit modifizierten funktionalen Software-Versionen über alle Feldtests (Field Operational Test - FOT) ermöglicht wird.This requires higher capacities for data acquisition and storage, but has the advantage that a complete re-simulation with modified functional software versions of all field tests (Field Operational Test - FOT) is possible.
Formel (1) beschreibt die Zeit
Dabei ist
Im Verfahrensschritt III des Verfahrens werden Simulationsrechnungen für definierte Testszenarien auf der Hardware-in-the-Loop Plattform durchgeführt. Dabei ist ein Fahrszenario mit gerader Straße vorgesehen, welches zur Bestimmung der Zeit
Formel (2) beschreibt die Regressionsfunktion mit Hilfe einer Dosis-Wirkungs-Kurve mit vier Parametern. In der Pharmakologie beschreiben Dosis-Wirkungs-Kurven graphisch den Zusammenhang zwischen der verabreichten Dosis eines Wirkstoffs und seiner Wirkung. Die logistische Regression ist daher ein Dosis-Wirkungsmodell, das auch als sigmoide Dosis-Wirkungs-Beziehung bezeichnet wird. Wie stets bezeichnet P1 bzw. P2 das minimale bzw. maximale Niveau der
Bei der Korrelationsanalyse werden die Korrelationskoeffizienten nach Pearson Produkt-Moment-Korrelation als Maß für den linearen Zusammenhang zweier Variablen
Die Sigmoid-Dosis-Wirkungs-Beziehung als Regressionsfunktion wird mit folgenden Parametern P1 = 0.52, P2 = 4.25, P3 = 37.6, P4 = 0.02 berechnet.The sigmoid dose-response relationship as a regression function is calculated with the following parameters P1 = 0.52, P2 = 4.25, P3 = 37.6, P4 = 0.02.
Der Korrelationskoeffizient wird berechnet zwischen der idealen Kurve der Eskalationsstufe E1 und den 179 Fehlauslösungen aus dem Cluster C1 mit Verbundkurve nach links, wie in
Im Verfahrensschritt VI wird die Ontologie mithilfe der charakteristischen Signalverläufe aus dem logischen Szenario verwendet.In method step VI, the ontology is used with the aid of the characteristic signal curves from the logical scenario.
In der Softwaretechnik wird eine Ontologie als die explizite Spezifikation einer Konzeptualisierung definiert.In software engineering, an ontology is defined as the explicit specification of a conceptualization.
Die Konzeptualisierung ist eine abstrakte, vereinfachte Darstellung einiger ausgewählter Teile einer Anwendungsdomäne.Conceptualization is an abstract, simplified representation of some selected parts of an application domain.
Daher kann die Ontologie als eine Wissensbasis betrachtet werden, die aus terminologischen und assertionalen Boxen besteht.Hence, the ontology can be viewed as a knowledge base consisting of terminological and assertional boxes.
Während terminologische Boxen (TBoxen) die Konzepte einer Anwendungsdomäne beschreiben, werden diese Konzepte durch hierarchische Klassen, Axiome und Eigenschaften ausgedrückt.While terminological boxes (TBoxes) describe the concepts of an application domain, these concepts are expressed through hierarchical classes, axioms and properties.
Die assertionalen Boxen (ABoxen) hingegen repräsentieren Instanzen von Klassen und beobachteten Fakten des situativen Wissens.The assertional boxes (ABoxes), on the other hand, represent instances of classes and observed facts of situational knowledge.
Die Web Ontology Language ist in der Ontologie für jedes logische Szenario implementiert, was es erlaubt, Logikoperatoren in Regeln zu kombinieren. Ungültige oder verbotene Kombinationen werden daher aus dem Szenario-Katalog entfernt.The Web Ontology Language is implemented in the ontology for every logical scenario, which allows logical operators to be combined in rules. Invalid or forbidden combinations are therefore removed from the scenario catalog.
Im Straßenentwurf werden dabei die drei mathematischen Funktionen (Gerade, Kreisbogen und Klothoide) verwendet, wobei an den Übergangsstellen die Elemente knickfrei aneinanderfügt sein sollen.In the road design, the three mathematical functions (straight line, circular arc and clothoid) are used, whereby the elements should be joined together without kinks at the transition points.
Die Verbundkurve besteht aus einem Kreisbogen sowie einer einleitenden und einer ausleitenden Klothoide. Die Wendelinie besteht aus zwei Verbundkurven mit unterschiedlichem Krümmungssinn.The compound curve consists of a circular arc and an introductory and an exiting clothoid. The turning line consists of two composite curves with different directions of curvature.
Die berechnete Krümmung des befahrenen Fahrwegs Kego [1/km] sowie die relative Querablage
The calculated curvature of the traveled route K ego [1 / km] and the relative lateral offset
Die Erfassungsdaten werden gemäß den Konvertierungsregeln als Steuerungsdaten mit geschlossenem Regelkreis konvertiert, um die konkreten Szenarien mit dem gesamten Parameterraum zu generieren.The acquisition data are converted according to the conversion rules as closed-loop control data in order to generate the specific scenarios with the entire parameter space.
Die zu erstellenden konkreten Szenarien erweitern die Testabdeckung über den gesamten Wirkbereich des sogenannten Operational Design Domains, um die Weiterentwicklung der zu testenden Fahrfunktion 11 sicherzustellen.The specific scenarios to be created expand the test coverage over the entire effective range of the so-called operational design domain in order to ensure the further development of the driving
Beispielsweise beinhaltet die Ontologie für das logische Szenario „Verbundkurve nach links“ aus dem Cluster C1 eine „besteht_aus“ Anweisung, um die Elemente eines Straßennetz-Layouts mit zwei Fahrspurklassen und einer Klasse für einen Seitenstreifen zu modellieren. Die Anweisungen „Nachbarspur_rechts“ und „Nachbarspur-links“ werden verwendet, um Straßenelemente zueinander anzuordnen. Die Positionsinstanzen werden auf der Basis einer Relation „Position“ für die Ontologie-Straßenelemente erzeugt.For example, the ontology for the logical scenario “compound curve to the left” from cluster C 1 contains a “consists_of” instruction to model the elements of a road network layout with two lane classes and one class for a hard shoulder. The instructions "Neighbor lane right" and "Neighbor lane left" are used to arrange road elements in relation to one another. The position instances are generated on the basis of a "position" relation for the ontology road elements.
Die Anweisungen „links von“, „rechts_von“, „vorne_von“, „hinten_von“ werden verwendet, um die Positionsinstanzen mit logischer Argumentation anzuordnen. Die Anweisungen „fährt_auf“ und „liegt_auf“ werden verwendet, um die dynamischen Objekte mit verschiedenen Positionsinstanzen zu regeln. Das Objekt „Obj1“ ist als stationäres Objekt auf dem Seitenstreifen definiert.The instructions "left_of", "right_of", "front_of", "rear_of" are used to arrange the position instances with logical argumentation. The instructions “drives_up” and “lies_up” are used to control the dynamic objects with different position instances. The object "Obj1" is defined as a stationary object on the hard shoulder.
Die Parameterräume und auch relevante Verteilungsfunktionen werden identifiziert, sodass aus diesen logischen Szenarien konkrete Szenarien abgeleitet werden können. Basierend auf der Parametrisierung werden dann einzelne Tests (konkrete Szenarien) durchgeführt.The parameter spaces and also relevant distribution functions are identified so that specific scenarios can be derived from these logical scenarios. Individual tests (concrete scenarios) are then carried out based on the parameterization.
Das Testverfahren erfordert die Wahrscheinlichkeit PT, dass eine Notbremsfunktion einen funktionalen Szenarien-Katalog U ausführt. Da das funktionale Szenario
Da das funktionale Szenario
Im Allgemeinen kann ein funktionales Szenario als eine Kombination aus einer Äquivalenzklasse für jede Dimension
Die Gesamtwahrscheinlichkeit funktionaler Szenarien kann allgemein für die Dimensionen n formuliert werden, wobei sich die Anzahl der Szenarien aus den Äquivalenzklassen der Dimension
Die Sensitivitätsanalyse wird für die E1 Ereignisse aus dem Cluster C1 exemplarisch vorgestellt. Aus Design of Experiments werden die erforderlichen Verhaltensmodelle als Ersatzmodelle für die wichtigen Parameter der einzelnen Fahrsituationen aus dem Cluster C1 erstellt. Die erforderlichen Sensitivitätsmaße werden in Bezug auf die Antwortgröße
Im Verfahrensschritt V werden die Sensitivitätsmaße mit Hilfe der Sensitivitätsanalyse bestimmt, mit den Eingänge des Ersatzmodells
Mit diesen Parametern soll untersucht werden, ob vom E1 Ereignis auf den kritischen Wert der kleinsten Zeit zur Kollision
Die Eingangsparameter sind zum Teil stark korreliert. Die ungewünschten Korrelationen zwischen den Eingangsgrößen erschwert die Modellbildung. Deshalb werden die Variablen (κego[1/km], dy[m] und dx[m]) für das Ersatzmodell nicht mehr mitberücksichtigt.Some of the input parameters are strongly correlated. The undesired correlations between the input variables make modeling difficult. Therefore the variables (κ ego [1 / km], d y [m] and d x [m]) are no longer taken into account for the substitute model.
Die Ersatzmodelle bzw. Metamodelle stellen eine Approximation der Realität dar.The substitute models or metamodels represent an approximation of reality.
Die Modellierung der Zufallsvariablen für die Parameter der Cluster C1 wird derart realisiert, dass die Zufallsvariable
Die Zufallsvariable
Während die Wahrscheinlichkeitsdichtfunktion
In diesem Fall wird das zu betrachtende Versagenskriterium durch
Die Ausgangsvariable des Ersatzmodells
Die Ausgangsvariable des Zufallsgenerators
Die ISO 26262 enthält eine Gefahrenanalyse und Risikobewertung zur Bestimmung des erforderlichen ASIL (Automotive Safety Integrity Level) und zur Bewertung der potenziellen Risiken von elektrischen und/oder elektronischen Fehlfunktionen, die die Sicherheitsziele verletzten können. Der risiko-orientierte Ansatz klassifiziert das Risiko R für jede potentiell gefährliche Fahrsituation, wie folgt:
Dadurch wird die Risikoklassifizierung mit den folgenden zwei Auswirkungsfaktoren definiert, wobei H die Menge der gefährlichen Fahrsituationen entspricht.This defines the risk classification with the following two impact factors, where H corresponds to the number of dangerous driving situations.
Schwere der Auswirkung einer gefährlichen Fahrsituation h, wobei
Expositionswahrscheinlichkeit einer gefährlichen Fahrsituation h, wobei
Kontrollierbarkeitsniveau in der jeweiligen Fahrsituation h, wobei
Der ASIL Bestimmung kann das Kontrollierbarkeitsniveau
Im so genannten „Schattenmodus“ werden Daten von Kundenfahrzeugen auf öffentlichen Straßen gesammelt, um eine effiziente Absicherungsmethode für autonomes Fahren im Vergleich zu einer geringen Anzahl von autonomen Testfahrzeugen auf bestimmten Strecken anzubieten.In the so-called “shadow mode”, data is collected from customer vehicles on public roads in order to offer an efficient validation method for autonomous driving compared to a small number of autonomous test vehicles on certain routes.
Die Abbruchkriterien werden durch die Festlegung der Referenzwerte für die Risikobewertungsmatrix auf Basis der heutigen Fahrfunktionen am Beispiel eines Notbremsassistenten definiert, die für die Weiterentwicklung der zu testenden automatisierten Fahrfunktion im Zusammenhang der Erweiterung des gesamten Wirkbereichs des sogenannten Operational Design Domains und/oder Erhöhung der Automatisierungsstufe genutzt werden.The termination criteria are defined by specifying the reference values for the risk assessment matrix on the basis of today's driving functions using the example of an emergency braking assistant, which is used for the further development of the automated driving function to be tested in connection with the expansion of the entire effective range of the so-called operational design domain and / or increasing the automation level will.
Die Abbruchkriterien bilden die Testentscheidungsgrundlagen ab, die im Zusammenhang mit vorhandenen Vorschriften und Rahmenbedingungen zu einer möglichen Kundenfreigabe dienen können. Ansonsten ist die Kundenfreigabe in dieser Anmeldung eher eine rhetorische Frage, da die Informationen aus dem Feld und von Simulationen das Risikomanagement fortlaufend ergänzen.The termination criteria represent the test decision bases that can be used in connection with existing regulations and framework conditions for a possible customer approval. Otherwise, the customer approval in this application is more of a rhetorical question, as the information from the field and from simulations continuously supplement the risk management.
Die Zuverlässigkeitsanalyse erfolgt mit Hilfe der Modellbildung des Ersatzmodells aus der Sensitivitätsanalyse durch die Definition der Grenzzustandsfunktion.The reliability analysis takes place with the help of the modeling of the substitute model from the sensitivity analysis by defining the limit state function.
Für Zuverlässigkeitsanalysen unter Verwendung von Ersatzmodellen durch die Bestimmung der wichtigsten Eingangsgrößen ist eine Prognosefähigkeit der Modelle notwendig, um die Streuungen und damit die Versagenswahrscheinlichkeiten verlässlich zu berechnen.For reliability analyzes using substitute models by determining the most important input variables, the models must be capable of forecasting in order to reliably calculate the scatter and thus the failure probabilities.
Als Maß der Sicherheit wird üblicherweise ihr Komplement, die Versagenswahrscheinlichkeit, berechnet.Its complement, the failure probability, is usually calculated as a measure of safety.
Das Versagen bedeutet in diesem Zusammenhang nicht notwendigerweise den totalen Kollaps der Fahrfunktion.The failure in this context does not necessarily mean the total collapse of the driving function.
Jeder unzulässige Zustand der Fahrfunktion wird als Versagen bezeichnet, die Versagenswahrscheinlichkeit ist somit die Eintrittswahrscheinlichkeit eines solchen Zustands.Every impermissible state of the driving function is referred to as a failure, so the probability of failure is the probability of such a state occurring.
Die Zufallsvariablen sind durch den Verteilungstyp und die entsprechenden Verteilungsparameter festzulegen.The random variables are to be determined by the distribution type and the corresponding distribution parameters.
Der Versagenszustand ist durch eine deterministische Grenzzustandsfunktion definiert. The failure state is defined by a deterministic limit state function.
Die Grenzzustandsfunktion g(Z) ist die Antwort des betrachteten Ersatzmodells zu einer Realisierung der n Basisvariablen, die so skaliert ist, dass
Der vordefinierte Sicherheitsbereich ist γ, wobei die Grenzzustandsfunktion g(Z) die Beziehung zwischen Widerstand und Last als eine Funktion von Z ist, wobei Z einen Vektor aller Unsicherheitsvariablen beschreibt, die die Lasten und Widerstände darstellen.The predefined safety margin is γ, where the limit state function g (Z) is the relationship between resistance and load as a function of Z, where Z describes a vector of all the uncertainty variables that represent the loads and resistances.
Aus Formel (10) ist ersichtlich, dass die Grenze des Versagensbereichs, also der Übergang vom sicheren in den versagten Zustand, durch g(Z) = γ markiert ist.From formula (10) it can be seen that the limit of the failure range, i.e. the transition from the safe to the failed state, is marked by g (Z) = γ.
Sei
Die Versagenswahrscheinlichkeit ist, mit den Formeln (10) und (11), das Integral der gemeinsamen Dichtefunktion der Zufallsvariablen fz(z)über den Versagensbereich
Die Funktion fz(z) ist die gemeinsame Dichtefunktion der Basisvariablen Z.The function f z (z) is the common density function of the base variable Z.
Die Berechnung von Erwartungswerten ist ein wichtiges Problem für die Risikobewertung.The calculation of expected values is an important problem for risk assessment.
Eine analytische Berechnung der Erwartungswerte bei ansteigender Dimensionalität der betrachteten Größen ist nicht mehr praktikabel.An analytical calculation of the expected values with increasing dimensionality of the observed quantities is no longer practicable.
Dabei ist die Schwere der Auswirkung Sc1 in vier Regionen aufgeteilt, wobei
Die Monte-Carlo-Integration nährt sich den Erwartungswerten durch simulationsbasierte Approximation an.The Monte Carlo integration approximates the expected values through simulation-based approximation.
Die Lösung des Integrals durch Simulation seltener Ereignisse wird als Monte-Carlo-Simulation und Adaptive Sampling bezeichnet.The solution of the integral by simulating rare events is known as Monte Carlo simulation and adaptive sampling.
Die Monte-Carlo-Simulation eignet sich zur numerischen Auswertung von mehrdimensionalen Integralen. Die Versagenswahrscheinlichkeit wird in Formel (12) definiert als ein Integral der gemeinsamen Dichtefunktion der Basisvariablen über den Versagensbereich.The Monte Carlo simulation is suitable for the numerical evaluation of multidimensional integrals. The failure probability is defined in formula (12) as an integral of the common density function of the basic variables over the failure range.
Die Lösung des Integrals durch Simulation wird als Monte-Carlo Integration bezeichnet.The solution of the integral by simulation is called Monte-Carlo integration.
Das Ergebnis von Formel (12) wird aus einer auf dem Rechner erzeugten künstlichen Stichprobe im statistischen Sinne geschätzt.The result of formula (12) is estimated in the statistical sense from an artificial random sample generated on the computer.
Die Monte-Carlo-Simulation wird zur Berechnung der Erwartungswerte genutzt.The Monte Carlo simulation is used to calculate the expected values.
Statt den wahren Erwartungswert zu berechnen, berechnet man einen Schätzer mithilfe einer Zufallsstichprobe.Instead of calculating the true expected value, one calculates an estimator using a random sample.
Der Schätzer ist erwartungstreu, wenn sein Erwartungswert identisch der gesuchten exakten Lösung ist.The estimator is unbiased if its expected value is identical to the exact solution sought.
Das Konfidenzintervall des Schätzers hängt von seiner Varianz ab. The confidence interval of the estimator depends on its variance.
Das Ziel eines statischen Schätzverfahrens ist, einen erwartungstreuen Schätzer mit minimaler Varianz zu finden.The goal of a static estimation method is to find an unbiased estimator with minimal variance.
Mit der Einführung einer Indikatorfunktion I
Der statistische Mittelwert mit N Realisierungen der Basisvariablen xi ist ein erwartungstreuer Schätzer der Formel (16):
Unter Ausnutzung der Erwartungstreue berechnet sich seine Varianz. Für eine erwartete Versagenswahrscheinlichkeit und eine vorgegebene Varianz des erwartungstreuen Schätzers ergibt sich aus Formel (17) die Forderung der Anzahl an Realisierungen, die zu simulieren sind.
Bei Anwendungen wird häufig der auf die Zahl der Simulation bezogene Standardfehler als Vergleichswert angegeben, der wie folgt definiert ist:
Die erforderliche Anzahl
Aus den Stichproben werden die sogenannte Indikatorfunktionen für verschiedene Kriterien (Grenzzustandsfunktionen entsprechend der Schwere der Auswirkung einer gefährlichen Fahrsituation) ausgewertet.The so-called indicator functions for various criteria (limit state functions according to the severity of the impact of a dangerous driving situation) are evaluated from the random samples.
Das Kriterium der Qualität der aus der Stichprobe geschätzten Versagenswahrscheinlichkeit ist wieder der Standard-Fehler.The criterion of the quality of the probability of failure estimated from the sample is again the standard error.
Dabei werden die zugehörigen Versagenswahrscheinlichkeiten und statistischen Fehler (Standard-Fehler bzw. die Standardabweichung der geschätzten Wahrscheinlichkeit) berechnet.The associated failure probabilities and statistical errors (standard error or the standard deviation of the estimated probability) are calculated.
Die Versagenskriterien bzw. Grenzzustandsfunktionen sind wie folgt festgelegt:
o o o o
- O
- O
- O
- O
Dabei sind die Abbruchkriterien der Simulationsläufe
Das Adaptive Sampling ist ein Verfahren, das den notwendigen Stichprobenumfang gegenüber Monte-Carlo stark verringert.Adaptive Sampling is a method that greatly reduces the required sample size compared to Monte Carlo.
Es gehört zur Familie der Importance Sampling Verfahren, bei denen eine gezielte Erzeugung von Stichproben im Versagensbereich bei hohen Wahrscheinlichkeitsdichten angestrebt wird.It belongs to the family of importance sampling methods, which aim to generate samples in the failure area with high probability densities.
Es wird eine andere Verteilung zur Generierung der Stichproben, als für die Parameter definiert wurde, verwendet.A different distribution is used to generate the samples than was defined for the parameters.
Diese Beeinflussung der Statistik wird intern korrigiert.This influence on the statistics is corrected internally.
Das Adaptive Sampling passt die Verteilung zur Simulation in mehreren iterativen Schritten automatisch an, indem jeweils aus der vorigen Iteration eine statistische Auswertung nur der zum Versagen führenden Stichproben vorgenommen wird.Adaptive Sampling automatically adjusts the distribution for the simulation in several iterative steps by only performing a statistical evaluation of the random samples leading to failure from the previous iteration.
Mit den so bestimmten Mittelwerten und der Kovarianzmatrix wird für die Simulation eine mehrdimensionale Normalverteilung definiert.With the mean values determined in this way and the covariance matrix, a multi-dimensional normal distribution is defined for the simulation.
Die Stichprobenentnahme nach Wichtigkeit hat das Ziel, die Varianz des SchätzerseP̅
Dabei werden die Stichproben anhand einer Wahrscheinlichkeitsverteilung erzeugt.The samples are generated using a probability distribution.
Die Zufallszahlen werden anstatt nach einer Gleichverteilung nach einer spezifischen Dichtefunktion generiert. Für die Simulation der Basisvariablen zi wird die Original-Dichtefunktion fz(z) nicht verwendet, sondern eine spezifische DichtefunktionhY(y), sodass viele Stichproben der eingeführten Basisvariablen Y in jede Bereiche fallen, die eine hohe Wahrscheinlichkeitsdichte aufweisen.The random numbers are generated according to a specific density function instead of a uniform distribution. For the simulation of the basic variable z i , the original density function f z (z) is not used, but a specific density function h Y (y), so that many samples of the introduced basic variable Y fall into each area that has a high probability density.
Die Zufallsvariablen Y sind in dem Wertebereich von Z definiert.The random variables Y are defined in the Z range of values.
Das Integral der Formel (15) erweitert ergibt dann:
Die Versagenswahrscheinlichkeit ist der Erwartungswert in Bezug auf die Dichtefunktion hY(y).
Die Versagenswahrscheinlichkeit wird durch Simulation von Stichproben nach der Verteilung hY(x) geschätzt.The probability of failure is estimated by simulating samples according to the distribution h Y (x).
Durch Simulation von Stichproben yi nach der Verteilung hY(y) ergibt sich der Schätzwert von P̅f zu:
Die Varianz des Schätzers errechnet sich zu:
Die Varianz des Schätzers wird demzufolge zu Null, wenn die Dichtefunktion besitzt:
Bei Monte-Carlo Simulation werden Stichproben gemäß der vorgegebenen Dichtefunktion erzeugt. Das Verhältnis zwischen dem, was in dem Integrationsgebiet liegt, und dem, was außerhalb liegt, konvergiert dann gegen den Wert des Integrals. Bei Adaptive Importance Sampling werden Strichproben stattdessen gemäß Originalvariablen verwendet, sondern eine neue simulierte Dichtefunktion, um die Statistik beabsichtigt zu beeinflussen. Die Simulationsdichtefunktion ist auch die Korrektur zwischen originaler und simulierter Dichtefunktion.In the Monte Carlo simulation, samples are generated according to the specified density function. The ratio between what lies in the integration area and what lies outside then converges towards the value of the integral. With Adaptive Importance Sampling, bar samples are instead used according to original variables, but a new simulated density function in order to intentionally influence the statistics. The simulation density function is also the correction between the original and simulated density function.
Nach einer ersten Simulation werden die statistischen Momente der Stichproben der Basisvariablen im Versagensbereich berechnet.After a first simulation, the statistical moments of the samples of the basic variables in the failure area are calculated.
Eine mögliche Näherung der originalen Dichtefunktion, wie in Formel (24) erwähnt ist, kann durch eine Berechnung des Mittelwertsvektors E[Y] erreicht werden. Diese statistischen Momente sind die Verteilungsparameter der normalverteilten Zufallsvariablen Y, die zur Simulation in einem nächsten Iterationsschritt verwendet werden.
In mehreren wiederholten Läufen kann so die Simulationsdichte hY(x) adaptiv ermittelt werden.The simulation density h Y (x) can thus be determined adaptively in several repeated runs.
Die Indikatorfunktion, die Versagenswahrscheinlichkeit und der statistische Schätzfehler sind in den
In vielen Fällen benötigt Adaptive Sampling weniger Stichproben, um die geforderte Genauigkeit zu erreichen.In many cases, Adaptive Sampling requires fewer samples to achieve the required accuracy.
In allen Fällen werden relativ hohe Wahrscheinlichkeiten berechnet.In all cases, relatively high probabilities are calculated.
Erst bei sehr geringen Versagenswahrscheinlichkeiten (in der Größenordnung 10-6) zeigt sich die Effizienz des Adaptive Sampling deutlich.Only with very low failure probabilities (in the order of magnitude of 10 -6 ) does the efficiency of adaptive sampling become clear.
Die Versagenswahrscheinlichkeit nimmt von
Die
Die gemeinsame Dichtefunktion der Zufallsvariablen für den Zufallsgenerator kann bei geringer Stützstellendichte ungenau sein. Das Ersatzmodell wird für die Bestimmung der Grenzzustandsfunktion verwendet.The common density function of the random variables for the random generator can be imprecise in the case of a low support point density. The equivalent model is used to determine the limit state function.
Die gemeinsame Dichtefunktion der Zufallsvariablen für den Zufallsgenerator wird aus dem durch Stützstellen abgedeckten Bereich extrapoliert.The common density function of the random variables for the random generator is extrapolated from the area covered by support points.
Die Monte-Carlo Simulation wird als Referenz verwendet und mit dem Adaptive Sampling verglichen.The Monte Carlo simulation is used as a reference and compared with the adaptive sampling.
Das Verhalten der Monte-Carlo-Integration ist typischerweise, dass für einen gewünschten Standardfehler 0.05 der notwendige Stichprobenumfang steigt, je kleiner die Versagenswahrscheinlichkeit ist.The behavior of the Monte Carlo integration is typically that, for a desired standard error 0.05, the required sample size increases the smaller the probability of failure.
Für die Untersuchungen wird zuerst ein geforderter Standardfehler δP̅
Wenn das Adaptive Sampling nach wenigen Schritten dieses Ziel erfüllt, aber die Iterationen sich stark unterscheiden, wird der geforderte Standardfehler δP̅f auf 0.05 reduziert, um mehr Iterationen zu erzwingen.If adaptive sampling fulfills this goal after a few steps, but the iterations differ greatly, the required standard error δ P̅f is reduced to 0.05 in order to force more iterations.
Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Integration und des Adaptive Sampling bestätigen einander.The results of the Monte Carlo integration and adaptive sampling confirm each other.
Es handelt sich um ein Verfahren zur Überprüfung der Qualität der Optimierung von Fahrfunktionen am Beispiel eines Notbremsassistenten mit allen möglichen Verkehrssituationen über den gesamten Wirkbereich des sogenannten Operational Design Domains.It is a method for checking the quality of the optimization of driving functions using the example of an emergency brake assistant with all possible traffic situations over the entire effective range of the so-called operational design domain.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- digitale Erprobungdigital testing
- 22
- physikalische Erprobungphysical testing
- 33
- wissensbasierte Testmethodeknowledge-based test method
- 44th
- datengetriebene Testmethodedata-driven test method
- 55
- ontologiebasiertes Szenariomanagementontology-based scenario management
- 66
- Operational Design Domain AbdeckungOperational Design Domain Coverage
- 77th
- Exploration des ParameterraumsExploration of the parameter space
- 88th
- messbare Sicherheitsbewertungmeasurable safety rating
- 99
- Referenzwerte der RisikoakzeptanzschwelleReference values of the risk acceptance threshold
- 1010
- RisikoakzeptanzschwelleRisk acceptance threshold
- 1111
- Weiterentwicklung der zu testenden FahrfunktionFurther development of the driving function to be tested
- 1212
- ereignisbasierte Datenerfassungevent-based data acquisition
- 1313
- Messtechnik für Field Operational Test-DatenMeasurement technology for field operational test data
- 1414th
- EckfallerkennungCorner case detection
- 1515th
- Data Ingest StationData ingest station
- 1616
- Cloud-basierte DatenspeicherungCloud-based data storage
- 1717th
- Szenariodatenbank Scenario database
- I bis VIIII to VIII
- Verfahrensschritt Process step
- CDFCDF
- kumulative Verteilungsfunktioncumulative distribution function
- PDFPDF
- WahrscheinlichkeitsdichtefunktionProbability density function
- dy d y
- relative Querablagerelative cross storage
-
eP̅
f e P̅f - Standardfehler des Schätzers der VersagenswahrscheinlichkeitStandard error of the estimator of the probability of failure
- dx d x
- relativer Längsabstandrelative longitudinal distance
- ψψ
- GierrateYaw rate
- yy
- SicherheitsmargeMargin of safety
- EE.
- Erwartungswert einer ZielindikatorfunktionExpected value of a target indicator function
-
E̅E̅ - Erwartungswert einer geschätzten IndikatorfunktionExpected value of an estimated indicator function
- fPDF f PDF
- Funktion der DichteverteilungFunction of density distribution
- fCDF f CDF
- Funktion der kumulierten VerteilungCumulative distribution function
- σσ
- StandardabweichungStandard deviation
- µµ
- MittelwertAverage
- aa
- minimaler Wert der Dreiecksverteilung/abgeschnittener Normalverteilungminimum value of the triangular distribution / truncated normal distribution
- bb
- maximaler Wert der Dreiecksverteilung/abgeschnittener Normalverteilungmaximum value of the triangular distribution / truncated normal distribution
- cc
- wahrscheinlichster Wert der Dreiecksverteilungmost likely value of the triangular distribution
- ϕϕ
- Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der NormalverteilungProbability density function of the normal distribution
- ΦΦ
- kumulative Verteilungsfunktion der Normalverteilung cumulative distribution function of the normal distribution
- Zeit bis zur Kollision für die Eskalationsstufe E1, die aus den Field Operational Tests gemessen und als reale Kritikalitätswerte aus dem Cluster C1 realisiert werden Time to collision for escalation level E 1 , which is measured from the field operational tests and implemented as real criticality values from cluster C 1
- HH
- Häufigkeitfrequency
- Zeit bis zur Kollision für die Eskalationsstufe E1, die aus der Hardware-in-the-Loop Plattform berechnet wird und eine ideale Kritikalitätsschwelle abbildet. Time to collision for escalation level E 1 , which is calculated from the hardware-in-the-loop platform and maps an ideal criticality threshold.
- κego κ ego
- prädiktiver Fahrwegpredictive route
- NS N S
- StichprobenzahlSample number
- Nas N as
- Stichprobenzahl mit Hilfe Adaptive SamplingNumber of samples using adaptive sampling
- Nmc N mc
- Stichprobenzahl mit Hilfe Monte-Carlo SamplingNumber of samples using Monte Carlo Sampling
- Stichprobenzahl für das Versagen mit Hilfe Monte-Carlo SamplingSample number for failure using Monte-Carlo sampling
- Stichprobenzahl für das Überleben mit Hilfe Monte-Carlo SamplingSample number for survival using Monte-Carlo sampling
- Stichprobenzahl für das Versagen mit Hilfe Adaptive SamplingSample number for failure using Adaptive Sampling
- Stichprobenzahl für das Überleben mit Hilfe Adaptive SamplingSample number for survival using adaptive sampling
- NVRNVR
- nicht vertretbares Risikounacceptable risk
- PP
- EintrittswahrscheinlichkeitProbability of occurrence
-
P̅P̅ ff - geschätzte Versagenswahrscheinlichkeitestimated probability of failure
- P̅f P̅ f
- VersagenswahrscheinlichkeitProbability of failure
- SGSG
- SchweregradSeverity
- kritischer Schweregradcritical severity
- hoher Schweregradhigh severity
- mittlerer Schweregradmoderate severity
- niedriger Schweregrad low severity
- tt
- Zeittime
- TTCE1 TTC E1
- Zeit bis zur Kollision für die Eskalationsstufe E1 Time to collision for escalation level E 1
- Zufallsvariable / Antwortgröße (minimale Zeit bis zur Kollision, wo die Sen sorik relevante Objektliste zur Berechnung der Zeit bis zur Kollision liefert. Diese Zufallsvariable wird als Antwortgröße für die Zuverlässigkeitsanalyse und für die Grenzzustandsfunktion verwendet. Random variable / response variable (minimum time until the collision, where the sensors provide the relevant object list for calculating the time until the collision. This random variable is used as the response variable for the reliability analysis and for the limit state function.
-
Zufallsvariable (das Zeitintervall zwischen
- VRVR
- vertretbares Risikoreasonable risk
- υx υ x
- relative Längsgeschwindigkeitrelative longitudinal speed
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102018004429 A1 [0002, 0017, 0055, 0064, 0067, 0082]DE 102018004429 A1 [0002, 0017, 0055, 0064, 0067, 0082]
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